● 摘要
本文以直接输出频率谐振式陀螺为研究对象，通过测量敏感模态谐振器机械结构谐振频率的变化实现角速度的测量。由于其具有测量灵敏度高、结构稳定性好、抗干扰能力强等优点，已经成为传感器技术领域研究的热点。论文紧紧围绕直接输出频率谐振式陀螺工作机理的实现，从有利于闭环系统实现的敏感结构优化、陀螺闭环控制的数学模型建立以及闭环控制系统的实验测试等三个方面进行了研究。
以便于直接输出频率谐振式陀螺闭环控制系统的实现，提出一种模态解耦的直接输出频率谐振式陀螺结构方案。基于谐振理论和陀螺工作原理建立了敏感结构的力学-数学模型。给出了解耦评价和灵敏度与带宽制约关系评价指标，利用随机抽样方法研究了陀螺结构参数对这些评价指标的影响。基于较为系统的仿真分析，优化设计了陀螺总体结构。
利用描述直接输出频率谐振式陀螺敏感结构动态特性的类马修方程解的特征，建立了陀螺输出频率的变化与被测角速度的数学模型。基于陀螺敏感结构的动态特性规律，提出了一种控制模型，给出了直接输出频率谐振式陀螺闭环控制策略，不仅实现了陀螺驱动模态的自激振荡闭环控制，同时实现了敏感模态闭环控制。通过Simulink仿真验证了总体闭环方案的有效性，成功解决了动态科氏力作用下的自激闭环系统实现的难题，有效解算出了陀螺的频率输出量。
研制了陀螺敏感结构的两种实验样件，并在搭建的陀螺闭环控制测试分析平台上进行了实验研究。该闭环控制测试分析平台基于总线和模块化的设计思路，研制了信号激励子系统、微弱信号检测子系统、信号处理分析子系统的软件和硬件，同时也考虑了该闭环控制测试分析平台的开放性。实验结果表明所设计的闭环控制整体方案的可行性，也为深入研究提供了基础。
研究工作对直接输出频率谐振式陀螺闭环系统设计具有理论指导意义和实验研究价值。